Application of Piezoelectric Ceramics in flow meters

Применение пьезокерамики в ультразвуковых расходомерах

1. Введение в принципы измерения расхода

Расходомер — это измерительное устройство, предназначенное для определения объёма или массовой скорости потока жидкости или газа, проходящего через трубопровод или технологическую систему. Принцип его работы основан на преобразовании параметров потока в электрический сигнал, который поддаётся измерению и последующей интерпретации.

2. Принцип работы ультразвуковых расходомеров

Работа ультразвукового расходомера базируется на физическом принципе, согласно которому скорость распространения ультразвуковой волны в движущейся среде равна векторной сумме средней скорости потока и собственной скорости звука в данной среде.

2.1. Классификация ультразвуковых расходомеров

2.1.1. Допплеровский ультразвуковой расходомер

Принцип действия основан на эффекте Допплера. Преобразователь (излучатель) передаёт ультразвуковой сигнал с частотой f1. После рассеяния на взвешенных частицах или пузырьках газа в жидкости частота сигнала изменяется на f2 и регистрируется приёмным преобразователем. Разность этих частот (допплеровский сдвиг fd) прямо пропорциональна скорости потока жидкости v. При известных и постоянных параметрах установки (скорость звука c, частота излучения f1, угол установки преобразователей θ) измерение сдвига частоты позволяет точно определить скорость потока, а затем и объёмный расход.

2.1.2. Ультразвуковой расходомер с временной разностью

Метод основан на измерении разницы во времени прохождения ультразвукового импульса по направлению потока и против него. Эта разница во времени прямо пропорциональна средней скорости потока в трубопроводе.

3. Пьезоэлектрические элементы в расходомерах

Пьезоэлектрические преобразователи являются ключевым компонентом, генерирующим и принимающим ультразвуковые сигналы в расходомерах. Выбор конкретного пьезоматериала определяется типом расходомера и предъявляемыми к нему техническими требованиями.

3.1. Ключевые материалы для преобразователей

• Цирконат-титанат свинца (PZT): Наиболее распространённый выбор благодаря исключительно высокому пьезоэлектрическому отклику, механической прочности, температурной стабильности и долговечности. Идеален для задач, требующих высокой точности и надёжности.
• Поливинилиденфторид (PVDF): Гибкий полимерный материал, применяемый в applications, где критичны высокая чувствительность, широкополосность и необходимость создания гнущихся или миниатюрных преобразователей.

3.2. Конструктивное исполнение преобразователей

Типичный преобразователь для ультразвукового расходомера, например, работающего на частоте 200 кГц, может быть выполнен в виде однослойного пьезокерамического диска из специально легированного материала, такого как PZT-40, который обеспечивает необходимые акустические и электрические характеристики.